Гіперзвукова зброя

Гонка озброєнь подарувала нам багато цікавих зразків зброї, серед яких, напевно, найбільше уваги було приділено ракетам. Ракети знайшли своє застосування практично в усіх видах сил і родах військ: в авіації, флоті, артилерії, ППО, сухопутних військах тощо. З появою балістичних (БР), міжконтинентальних балістичних (МБР) і крилатих ракет (КР) зникла потреба в застосуванні літаків для «килимових» бомбардувань або безпосереднього скидання конвенційних та атомних бомб. Тепер завдавати удару можна було за лічені хвилини або години (залежно від типу ракети), при цьому використовуючи наземні пускові комплекси або літаки в ролі носіїв на безпечній дистанції від ворога.

Однак, зважаючи на те, що потенційний противник має таку ж зброю, виникла потреба у створенні систем для протидії їй. Одночасно виникав паритет у ядерній зброї, який намагалися нівелювати комплексами протидії або збільшенням кількості власних ядерних зарядів. Комплекси протиповітряної оборони (ППО) та протиракетної оборони (ПРО) разом із тактичною авіацією мали стати протиракетною парасолькою.

Тепер уже для протидії системам ПРО/ППО почали покращувати ударні ракети. Винаходили різні способи обману ворога та розробляли нові зразки з кращими техніко-тактичними характеристиками. Досвід війн 1990-х і 2000-х років показав, що збивати можна будь-які ракети, головне, щоби були відповідні засоби протидії та виявлення. Проти крилатих ракет може працювати тактична авіація спільно з підрозділами зенітно-ракетних військ (ЗРВ), а балістичні цілі можуть перехоплювати системи на кшталт Patriot. Висота польоту (надмала або заатмосферна) та стелс-корпус перестали бути невирішуваними проблемами. Навіть дальність польоту перестала бути перевагою балістичних ракет, оскільки що довше ракета летить, то більше часу на її виявлення та перехоплення. З іншого боку, існують дозвукові крилаті ракети, які можна збити зі звичайного переносного зенітного ракетного комплексу (ПЗРК), що демонструє сучасний досвід України.

На такому підґрунті вчені та конструктори почали шукати рішення, яке допомогло б обходити або мінімізувати вищезазначені фактори протидії та завади. Більшість дійшла висновку, що треба зробити акцент на нарощенні швидкості. Так з’явилися гіперзвукові ракети.

У цій статті ми спробуємо розібрати суть «гіперзвукової зброї», визначимо її характеристики, особливості, різницю між справжніми гіперзвуковими апаратами та звичайними балістичними ракетами, які досягають гіперзвукової швидкості, і розглянемо проєкти різних країн. Оскільки гіперзвук — дуже розмите поняття, це дає величезний простір для спекуляцій і маніпуляцій, як і у випадку стелс-технологій. Такий собі піар для високотехнологічного виробу: здебільшого ніхто не знає, що це, але звучить солідно.

Визначення гіперзвукової зброї

Предметне обговорення будь-якого феномену потрібно почати з його визначення. Існує велика кількість визначень терміна «гіперзвукова зброя». Проаналізувавши чимало з них (здебільшого із західних джерел), ми виділили основні особливості цього типу озброєння та пропонуємо для нього таке визначення:

Гіперзвукова зброя — це зброя, здатна розвивати й підтримувати швидкість понад 5 Махів в атмосфері або на її межі та маневрувати під час усього польоту.

Одразу перше зауваження: «гіперзвукова зброя» — це позначення цілої концепції нового покоління ракет. Потрібно чітко розрізняти гіперзвукові ракети від ракет, які в певний проміжок часу досягають гіперзвукової швидкості. Гіперзвуковою ми називаємо швидкість, яка перевищує швидкість поширення звуку в 5 разів (тобто 5 Махів). Розглядаючи техніко-тактичні характеристики різних літаків, ми бачимо, що середня максимальна швидкість у них сягає 2-2,5 Махи. Щодо ракет, то переважна більшість балістичних ракет здатна досягати швидкості понад 5 Махів, що не дивно. Тут можемо згадати прабабцю всіх сучасних ракет — німецьку V-2 (Фау-2). Її пікова швидкість сягала 5600 км/год, завдяки чому її можна було б назвати гіперзвуковою, якщо не зважати на решту параметрів. Крім того, існують міжконтинентальні балістичні ракети, які розвивають швидкість 15-17 Махів, тобто наближаються до першої космічної швидкості (23 Махи). Проте гіперзвуковими вони все одно не вважаються.

Щоби називатися гіперзвуковою, ракета не просто має набрати швидкість понад 5 Махів, але й підтримувати її та мати здатність активно маневрувати впродовж усього польоту. Балістичні ракети набирають максимальну швидкість поступово, проходячи шари атмосфери, де з кожним кілометром тиск та опір повітря знижуються. Логічно, що після досягнення вершини траєкторії, ракета починає «падати», і тоді у зворотньому порядку її швидкість… падає. Поступове зменшення швидкості зумовлене опором повітря, якого неможливо уникнути.

Звісно, можна повторно ввімкнути двигун уже під час падіння, і тоді проблему буде вирішено, але насправді це не спрацює. Тертя корпусу ракети з молекулами повітря призведе до іонізації газу й утворення плазми, а також спричинить значний перегрів корпусу. Сукупність дії цих ефектів на конструкцію ракети призведе до її руйнування. Навіть захід на ціль по пологій траєкторії буде енерговитратним: потрібно більше палива, відповідно збільшуються розміри або зменшується маса бойової частини чи дальність польоту. На космічних кораблях або блоках міжконтинентальних балістичних ракет використовують теплозахисні екрани та спеціальне покриття, але це також додає ваги.

Проте головна причина, яка не дає розігнатися під час падіння — це двигун ракети. 95% сучасних балістичних ракет оснащуються твердопаливними двигунами, оскільки вони є економічно вигіднішими, простішими в експлуатації та виробництві, і розмір двигуна обмежується лише уявою інженера та законами фізики. А повторно запустити твердопаливний реактивний двигун неможливо.

Швидкість сильно залежить від газу, через який пролітає об’єкт. З висотою навколишній газ (атмосфера) стає все більш розрідженим, а на великих висотах він і зовсім зникає. Тому вчені досі сперечаються, до якої максимальної висоти можна використовувати число М як показник швидкості об’єкта. Це ще більше ускладнює визначення гіперзвукових ракет як ракет зі швидкістю понад 5 Махів.

Коли ми говоримо про гіперзвукову зброю, то маємо на увазі апарат, здатний розвивати швидкість понад 5 Махів у межах відносно щільних шарів атмосфери Землі (на висоті до 50 км), підтримувати її та маневрувати. Балістичні ракети до них не належать.

Попри це ми розглянемо два можливі типи гіперзвукової зброї, оскільки класифікувати її можна лише через робочі або потенційно робочі взірці:

1. Гіперзвуковий глайдер
2. Гіперзвукова крилата ракета

Гіперзвукові глайдери

Гіперзвуковий глайдер — це тип боєголовки балістичної ракети, який відділяється від носія та маневрує до цілі на швидкості понад 5 Махів.

Глайдер є покращеною копією блоку МБР, оскільки може маневрувати. Особливості глайдера дозволяють нівелювати деякі мінуси БР, а саме помітність ракети для радарів у найвищій точці траєкторії та передбачуваність сталої балістичної траєкторії. Виготовлення й експлуатація глайдерів є дещо простішими, оскільки в ролі носія виступає звичайна балістична ракета. БР підіймає та розганяє глайдер, після чого на висоті в 80+ км відбувається від’єднання модуля, який виконує контрольований політ з активними маневрами в атмосфері. Сам глайдер не має двигунів (принаймні маршового), тому його швидкість залежить від початкового розгону.

Розберемо траєкторію польоту глайдера:

1. Старт ракети-носія з глайдером з наземного комплексу, літака або корабля. Звичайний політ в атмосфері з виходом в мезосферу.
2. На висоті близько 80-100 км відбувається розділення (Separation).
3. Глайдер починає вхід в атмосферу та виконує маневри. Навігація та коригування забезпечується супутниками.
4. Захід на ціль з виконанням різкого довороту.

На іншій схемі детально зображено фазу польоту з різкою зміною курсу, яка дає змогу обманути ворога, оминувши комплекси ПРО. Схема нижче демонструє температурні коливання під час польоту. Найвищі температури спостерігаються на крутих ділянках траєкторії, тоді як більша частина планування виконується за помірних показників.

Існує ще один варіант траєкторії, у якому використовується ефект відскакування від атмосфери для збільшення дальності польоту. Зокрема, за такою траєкторією повертався модуль космічного корабля Apollo.

Також не слід плутати глайдер з іншими видами боєголовок БР, що відділяються. Роздільна головна частина з блоками індивідуального наведення (РГЧ ІН) — це тип БЧ ракети, який несе кілька бойових блоків, завдяки чому одна ракета може вразити велику кількість цілей. Такі БЧ використовуються в МБР. Це суттєво збільшує площу ураження, а також ускладнює роботу ворожої ПРО. Велика кількість бойових частин, серед яких можуть бути і хибні цілі, робить відстежування й ураження блоків надзвичайно складними завданнями.

Проте кардинально це не змінює суті БР, а радше примножує можливості звичайних екземплярів, коли вилітає одна ракета, а долітає кілька боєголовок. Траєкторія майже не змінюється.

Інший варіант роздільної БЧ — маневрена головна частина (МГЧ). Вона може маневрувати та змінювати траєкторію на термінальній стадії польоту. На відміну від глайдера, який відділяється та починає маневрувати відразу після відділення від носія, можливість маневру МГЧ з’являється лише на підльоті до цілі.

Різницю можна побачити на цьому графіку, де глайдер позначено червоним і помаранчевим кольорами, а МГЧ — зеленим.

Гіперзвукові крилаті ракети

Гіперзвукова крилата ракета (ГЗКР) — це апарат, що виконує політ у межах атмосфери, розвиває швидкість понад 5 Махів за допомогою прямоточного реактивного двигуна та здійснює маневри й управління за допомогою аеродинамічних елементів керування.

Політ ГЗКР відбувається на висоті в межах стратосфери (20-50 км) з подальшим можливим переходом у нижчі шари атмосфери на надзвуковій швидкості. Саме їх найчастіше згадують як гіперзвукову зброю. Фактично, це та сама КР, тільки з певними конструктивними особливостями. Як силова установка використовується гіперзвуковий прямоточний повітряно-реактивний двигун (SCRAMJET), подібний за своєю конструкцією на звичайний прямоточний повітряно-реактивний двигун (RAMJET). Саме його можна побачити, зокрема, на радянській протикорабельній ракеті П-800 Оникс і європейській ракеті класу «повітря-повітря» Meteor.

Головні умови для використання цього двигуна: попередній розгін до швидкості в 1 Мах і політ у межах атмосфери. Така силова установка забезпечує швидкий розгін, проте несе й певні проблеми:

1. Політ має здійснюватися на більших висотах через густину повітря в нижніх шарах атмосфери та ризик руйнування/перегрівання ракети.
2. Через велику висоту польоту виявити ракету стає легше.

Незважаючи на це, ГЗКР так само може маневрувати і використовувати свою швидкість польоту як додаткову перевагу. Перехоплення балістичної ракети вважається складним через те, що часу на виявлення ракети дуже мало — кожна секунда може стати вирішальною. Крім того, для ураження потрібна хороша точність ракети-перехоплювача. Зазвичай середня швидкість перехоплювачів становить 3-4 Махи. А ГЗКР може активно маневрувати, що ще більше зменшує шанси на успішне збиття.

Основними викликами в проєктуванні гіперзвукової КР є підбір матеріалів, які б витримували надзвичайні навантаження та температуру, а також систем управління, здатних працювати в екстремальних умовах, зокрема через плазму, яка створюється навколо тіла, що летить на гіперзвуковій швидкості в атмосфері та ізолює літальний апарат від сигналів ззовні. Ось наочне зображення траєкторій двох видів гіперзвукових і балістичних ракет:

Загалом застосування ракети виглядає так:

1. На початку польоту запускається стартовий твердопаливний двигун (розгінний блок), який виводить ракету на потрібну для запуску ППРД швидкість.
2. Запуск ППРД з подальшим польотом у верхніх шарах атмосфери.
3. Зниження висоти польоту з огинанням рельєфу та захід на ціль.

Інформації по ГЗКР дуже мало. Виникає питання: якщо висота польоту становитиме кілька (а то й десятки) кілометрів, то чи не спростить це її виявлення? Альтернативним рішенням може стати розробка більш стійких до високої температури матеріалів, систем охолодження та витриваліших до навантаження конструкцій. На фото американської ракети X-51A Waverider, можна помітити керамічну плитку для захисту від перегріву.

Сучасні гіперзвукові комплекси

У XXI столітті розробка гіперзвукових ракет стала масовим явищем. Принаймні «гіперзвуковими» їх називають розробники. З упевненістю можна сказати одне: поки що не існує гіперзвукового ракетного комплексу, який одночасно підтверджено відповідав би всім критеріям і стояв на озброєнні. Активні розробки та випробування на сьогодні ведуть три великі держави: США, КНР та РФ. Розглянемо їхні напрацювання.

США

X-51

Експериментальний проєкт Boeing X-51 Waverider — це дослідницька програма ВПС США, DARPA та NASA. Вона демонструє технології для прямоточного повітряно-реактивного двигуна SJY61. Як розгінний блок використовується твердопаливний двигун від ракети MGM-140 ATACMS, тобто за основу взяли готове рішення. Маса корисного навантаження в цій ракеті становить 120 кг. Запуск ракети здійснювали з бомбардувальника B-52H, який слугував пусковою платформою випробувань. Надалі результати випробувань і досвід у роботі з X-51 Waverider мають використовуватися в нових розробках.

Усього відбулося 4 випробувальних запуски:

• Перший пуск (26 травня 2010 року). Апарат зміг досягти швидкості 5 Махів і висоти 21 км. Тривалість польоту склала 200 с (планувалося 300 с). При цьому на гіперзвуковій швидкості він летів лише 140 с. Свого часу апарат X-43 зміг протягом 12 с підтримувати 9,68 Маху.

• Другий пуск (13 червня 2011 року). Цей політ був неуспішним, оскільки маршовий ППРД не зміг вийти на робочий режим.

• Третій пуск (14 серпня 2012 року). Ще одне неуспішне випробування X-51, під час якого через несправність одного з кілів (аеродинамічного керма) було втрачено контроль над апаратом ще до запуску маршового двигуна.
• Четвертий пуск (1 травня 2013 року). X-51 уперше здійснив успішний політ. Твердопаливний прискорювач розігнав ракету до 4,8 Маха. Після успішного відділення запустився маршовий двигун, яким було забезпечено набір швидкості 5,1 Маху протягом 210 с (загалом 370 с польоту). Тобто апарат пролетів 350 км за 3 хв на гіперзвуковій швидкості та не розвалився (висота польоту була близько 20 км).

Проєкт Х-51 однозначно є важливим для розвитку всієї сфери гіперзвукового озброєння. Свої задачі ракета виконала цілком успішно та дала безліч корисної інформації про гіперзвуковий політ.

Існує багато дослідницьких програм, які поки що представлені лише у вигляді розробок і концепцій (DARPA Falcon Project, Hypersonic Attack Cruise Missile, Hypersonic Air Launched Offensive Anti-Surface (HALO) та AIM-260 JATM).

Фактично, було реалізовано 3 проєкти:

Long-Range Hypersonic Weapon (LRHW)

Проєкт базується на комплексі, що складається з ракети-носія та гіперзвукового глайдера C-HGB. Пуск може здійснюватися з наземної та морської платформи (перспективних есмінців ВМС США). У цій ракеті буде реалізовано принцип далекобійного гіперзвукового глайдера.

Назвати цю ракету гіперзвуковою можна через її швидкість польоту (17 Махів). Дальність польоту складатиме до 2800-3000 км, чого цілком достатньо для ураження ворожих об’єктів за умови пуску з корабля. Ракета LRHW є двоступеневою. Її перше випробування відбулося 30 жовтня 2017 року. У 2020 році відбувся пуск ракети з повноцінним глайдером. У 2021 році пройшли нові випробування твердопаливних двигунів 1-го та 2-го ступенів.

Першу батарею з 4 неземних пускових було розгорнуто восени 2023 року. Нині LRHW має назву Dark Eagle.

Operational Fires

Ця ракета споріднена з AGM-183, оскільки вони використовують однакові глайдери. Її особливістю є гібридний твердопаливний двигун, тягу якого можна регулювати в польоті для виходу на кращу траєкторію. Operational Fires подібна до LRHW, проте менша за розміром і дальністю ураження цілей (до 1600 км). Перші випробування пройшли в липні 2022 року. Цей комплекс зможе покривати більшість потреб з ураження наземних цілей, виконуючи роль ОТРК.

AGM-183 ARRW

Третій комплекс — AGM-183 ARRW, гіперзвукова ракета повітряного базування, яка використовується як носій для глайдера (такого як в Operational Fires). Носіями нової ракети мають стати B-1B, B-52, B-21 та F-15E, проте всі випробування проводилися виключно з бомбардувальниками B-52H.

Перші два пуски були неуспішними. 14 травня 2022 року ARRW вперше успішно відпрацювала та досягла швидкості у 5 Махів, а 12 липня успіх повторився. 9 грудня 2022 року було вперше випробувано повноцінний комплекс із ракетою-носієм і глайдером. Наступні випробування або були невдалими, або мали дослідницький характер (як-от з Х-51). У 2023 році доля проєкту стала невизначеною, оскільки невдачі та провали у випробуваннях не задовольняли ВПС і Конгрес, через що програму начебто згорнули. Проте під кінець року з’явилась інформація про можливе відновлення робіт.

КНР

Dongfeng-17

Китайський комплекс Dongfeng-17 легко впізнаваний, оскільки в ньому чітко видно гіперзвуковий глайдер DF-ZF. Цей комплекс створено на основі готової ракети Dongfeng-16, яку трохи допрацювали під застосування глайдера. Головне призначення DF-17 — ураження авіаносних груп США. Детальної інформації про випробування майже немає. Відомо, що тестових пусків було близько 9, і під час них вдавалося виводити ракету на дальність у 1400 км (заявлено максимальну дальність 1800 км і швидкість 5 Махів).

YJ-21

Щодо цієї ракети також небагато інформації. Відомо, що вона уніфікована для пуску з літака (бомбардувальника H-6N) або корабля (есмінець типу 055). Ракета має ряд модифікацій і працює за тим самим принципом, що й DF-17, використовуючи глайдер для ураження надводних цілей. Дальність польоту може сягати 1500 км на швидкості 6-10 Махів (підтверджень цих характеристик немає).

Загалом щодо китайських виробів доступно мало інформації, але можемо радіти чисельним фото й анімаціям.

РФ

Х-47М2 Кинджал

Найбільше питань виникає до РФ. Навіть велика кількість анімацій, фото та відео не розкривають усієї суті. Почнемо з головного зразка гіперзвукової зброї РФ — «аналоговнєта» Х-47М2 Кинджал.

Виходячи з вищенаведеного визначення гіперзвукової зброї, можемо дійти висновку, що Кинджал до класу гіперзвукових ракет не належить.

Х-47М2 — це модернізована ракета 9М723 Искандер-М, адаптована під літак-носій МіГ-31К (И). Вона розвиває швидкість 4,5-5 Махів лише на піку траєкторії, тобто гіперзвукова швидкість протягом усього польоту нею не підтримується.

На практиці виявилося, що Кинджал можна збивати за допомогою ЗРК типу MIM-104 Patriot із ракетами PAC-3 MSE.

Авангард

Мова йде про окремий глайдер, який можна встановити на МБР (наприклад, УР-100Н УТТХ або РС-28). У такий спосіб росіяни намагаються подовжити строк використання старих ракет і покращити їхні можливості. Ані даних про випробування, ані фото самого глайдера немає. Імовірно, РФ створила далекобійний глайдер для ядерної БЧ, тобто замість 6-10 блоків пропонується встановити міфічний Авангард з 1-3 одиницями. Можливо, цей виріб і справді існує, але наскільки він робочий і надійний — важко сказати.

3М22 Циркон

У РФ вирішили навіть не створювати якихось зображень цієї ракети, а просто скопіювали їх з американської ракети проєкту Х-51. Циркон точно так не виглядає. Утім, її концепція зрозуміла: гіперзвукова крилата ракета з прямоточним двигуном.

Припущень багато, але, ймовірно, ГЗКР Циркон була створена на основі радянської ПКР П-800 Оникс і не сильно відрізняється від неї, оскільки є результатом еволюції 3М55.

30 грудня 2023 року з’явилося фото з нібито уламком ракети 3М22 Циркон, якою ворог завдав удару по об’єкту в Запорізькій області. Найімовірніше, ця ракета дійсно існує та здатна розвивати швидкість близько 4 Махів.

8 лютого 2024 року з’явилися нові фото з уламками, ймовірно, російської ракети 3М22 Циркон. Заявлялося, що ракета була запущена з Криму, мала високу швидкість і нестандартну траєкторію польоту. Ракета впала в Києві та спричинила обмежені руйнування.

Також в мережі можна знайти фото-схему ракети. Саме конструкції та деяким технічним аспектам я хочу присвятити трохи часу:

Фото нічим не підкріплене, але від того не менш цікаве. По “Оніксу”: В головній частині знаходиться захисний обтічник з частиною двигунів корекції. Призначений він для захисту повітрозабірника під час старту (фото нижче). “Конус” обтічник, який і формує потік і тиск повітря перед камерою згорання, вміщає в собі ГСН, БЧ та бортову систему навігації та обрахунку. В корпусі ракети (стінках) розміщені паливні баки. Пуск починається з запуску твердопаливного прискорювача який виводить ракету на потрібну висоту, надає початку швидкість. Після скидання захисного обтічника, спрацьовує вторинний заряд; ракета набирає швидкість і запускається маршовий прямотічний повітряно-реактивний двигун.

Розглядаючи “Циркон” можна помітити декілька особливостей: ракета має набагато потужніший твердопаливний прискорювач і ймовірно більший діаметр в цілому, завдяки чому палива стало більше. Головна частина при цьому залишалася незмінною. Так само присутній вторинний заряд. Фактично, саме додавання прискорювача та збільшення об’єму палива дозволило покращити ракету. В усіх випадках, на відео з запуском ракети 3М22, вона бере крутіший нахил ближче до вертикалі для виходу на більшу висоту.

Виходячи з того, що при польоті на швидкості понад 5 Мах, ракета зустрічає спротив повітря та перенагрівання, летіти на малій висоті або неможливо, або ризиковано, бо закінчитися це може завчасним руйнуванням ракети. Це і пояснює той факт, що ракета летіла по нестандартній траєкторії у рідкіших шарах атмосфери. Окремої уваги заслуговує теплоізоляція, яку знайшли після прильоту ракети:

Нині темпи виробництва ракети типу 3М22 можу варіюватися від 4 до 6 одиниць на місяць. Точність ракети також окреме питання, оскільки через перенагрівання корпусу та огортання плазмою, супутникове коригування ускладнюється або стає неможливим. Цим можна пояснити і приліт такої “високоточної ракети” по тротуару.

Інші проєкти

Роблять кроки до створення гіперзвукової зброї й інші країни. Індія активно розробляє BrahMos-II (ГЗКР на основі індійської версії ПКР П-800 Оникс) і HGV-202F (глайдер). В Ірані є сумнівні Fattah-1(2). Існує власна програма гіперзвукових ракет і в ЄС, про яку ми розповімо окремо.

Власні проєкти були і в України, але лише у вигляді малюнків та окремих вузлів і агрегатів.

Висновки

Сьогодні гіперзвукову зброю можна розділити на два типи: глайдери та крилаті ракети. Особливо активно розвивається перший тип, який уже представлений кількома робочими комплексами. Очевидно, що передові позиції в цій сфері займають США та КНР, тоді як з РФ ситуація менш очевидна. Надалі гіперзвукові системи ставатимуть дедалі популярнішими. Ракети з глайдерами мають великий потенціал, оскільки є технологічно простішими і не менш ефективними, ніж гіперзвукові крилаті ракети.

Однозначно можемо стверджувати, що гіперзвукова зброя — це зброя, здатна розвивати й підтримувати швидкість від 5 Махів в атмосфері або на її межі та маневрувати протягом усього польоту, зберігаючи гіперзвукову швидкість. Це визначення є базовим і загальним. Залишається лише питання щодо ефективності крилатих гіперзвукових ракет у випадку, коли ворог має розвинену систему ПРО.

Чи потрібна Україні гіперзвукова зброя? Ні. Далекобійні крилаті ракети, реактивні снаряди типу Р624 та звичайні ОТРК можуть закрити всі наші потреби в засобах вогневого ураження. Як протидіяти гіперзвуковій зброї? Лише комплексами ПРО або превентивними ударами.